Состояние электронов в атоме. Квантовые числа
Лекция № 2
Тема: Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева. Строение атома
План:
1) Периодический закон и периодическая система Д. И. Менделеева.
2) Строение атома.
3) Состояние электронов в атоме. Квантовые числа.
4) Электронные конфигурации атомов.
5) Зависимость свойств элементов от строения их атомов.
Периодический закон и периодическая система Д. И. Менделеева
В1869 г. великий русский ученый- химик Д.И. Менделеев открыл один из важнейших законов химии - периодический закон.
Периодический закон и периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева – основа современной химии. С открытием периодического закона химия перестала быть описательной наукой – она получила инструмент научного предвидения. Закон помогает ученым создавать новые химические элементы и новые соединения элементов, получать вещества с новыми свойствами.
Этот закон играет важную роль в развитии всего естествознания (физики, биологии и других наук). Открытие периодического закона способствовало развитию учения о строении атома. Оно привело к открытию атомной энергии и использованию ее для нужд человека.
Периодический закон имеет большое философское значение – он подтвердил наиболее общие законы природы.
Открытие периодического закона было подготовлено всем ходом истории развития химии.
Предпосылками открытия периодического закона являются:
|
|
|
1.Накопление фактологического материала.
Ко времени открытия периодического закона было известно 63 химических элемента, описаны состав и свойства их многочисленных соединений.
2. Работы ученых – предшественников.
До Д.И. Менделеева было предпринято около 50 попыток классифицировать химические элементы (классификация Берцелиуса, триады Деберейнера (1816 г.), спираль Шанкуртуа (1862 г.), октавы Ньюлендса (1865 г.), таблица Мейера (1864 г.)). Большинство ученых пытались выявить связь междухимическими свойствами элементов и их соединений и атомной массой. Но создать классификацию, включающую все известные в то время химические элементы, не удалось. Ни одна из попыток не привела к созданию системы, отражающейвзаимосвязь элементов и выявляющей природу их сходства и различия.
3. Съезд химиков в г. Карлсруэ (1860 г.)
Окончательно утвердилось атомно-молекулярное учение, были приняты первые единые определения понятий молекулы и атома, атомного веса. Именно это понятие как неизменную характеристику атомов химических элементов Д.И. Менделеев положил в основу своей классификации. Он писал: «Масса вещества есть именно такое свойство, от которого должны находиться в зависимости все остальные свойства. Поэтому ближе или естественнее всего искать зависимость между свойствами и сходствами элементов, с одной стороны, и атомными их весами – с другой».
|
|
|
4. Личностные качества великого химика.
Энциклопедичность знаний, научная интуиция, дар научного предвидения, умение обобщать, постоянное стремление к познанию неведомого Д.И. Менделеева сыграли немалую роль в открытии периодического закона.
В основу своей работы по классификации химических элементов Д.И. Менделеев положил два их основных и постоянных признака: величина атомной массы и свойства.
Располагая элементы в порядке возрастания их атомной массы, Д.И. Менделеев наблюдал периодическое изменение их свойств и свойств соединений. Эту закономерность он сформулировал в виде закона:
Свойства элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомной массы элементов.
Однако формулировка закона, данная Д.И.Менделеевым, не могла быть полной и точной с современной точки зрения, так как она соответствовала состоянию науки на тот период времени, когда не было известно строение атома. Она не могла объяснить многие новые открытия в науке. Например, открытие изотопов – разновидностей атомов одного и того же элемента, имеющих одинаковый заряд ядра, но разные массовые числа. Наличие изотопов доказывает, что свойства химических элементов определяются не столько их атомной массой, как предполагалД.И. Менделеев, сколько зарядом атомных ядер.
|
|
|
В 1913 году англ. физик Г. Мозли экспериментально подтвердил гипотезу голландского ученого Ван-ден-Брука, что положительный заряд ядра атома (в условных единицах) равен порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.
Открытие изотопов и закономерность Ван-ден-Брука – Мозли позволили дать другую, современную формулировку закона:
Свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома.
Графическим изображением периодического закона является периодическая система Д. И. Менделеева.
Периодическая система состоит из семи периодов, десяти рядов и восьми групп.
Период– последовательность элементов, которая начинается щелочным металлом и заканчивается благородным газом.
Периоды бывают малые (состоят из одного горизонтального ряда) и большие (состоят из двух горизонтальных рядов).
|
|
|
Периоды
 |
малые большие
I, II, III IV, V, VI, VII
Группа– совокупность элементов, которые имеют одинаковую высшую валентность в оксидах и других соединениях. Эта валентность равна номеру группы. Исключения: в I группе Cu (II), Au (III), в VI группе O (II), в VII группе Н, F (I).
Каждая группа состоит из двух подгрупп: главной и побочной. Главная подгруппа содержит элементы малых и больших и периодов, побочная подгруппа содержит элементы только больших периодов.
Группы
 |
Строение атома
Все вещества образованы мельчайшими частицами, которые называются атомами.
Атомы имеют сложное строение. В центре любого атома находится ядро. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которые имеют общее название - нуклоны (от англ. nucleus – ядро).
Протон – это частица, которая имеет положительный заряд. Заряд протона в условных единицах равен +1. Символ протона – 1 1р.
Нейтрон- нейтральная частица, заряд нейтрона равен 0.
Символ нейтрона – 0 1n.
Масса ядра, как и масса атома, определяется суммой числа протонов и числа нейтронов. Эта сумма называется массовым числом атома А.
Ядра атомов имеют положительный заряд, т.к. состоят из протонов с положительным зарядом и нейтральных нейтронов. Каждый протон имеет заряд +1, поэтому заряд ядра равен числу протонов.
Вокруг ядра атома движутся электроны, которые имеют отрицательный заряд. Заряд электрона в условных единицах равен –1. Символ электрона – е-.
Любой атом содержит равное число протонов и электронов, поэтому сумма положительных зарядов в атоме равна сумме отрицательных. Следовательно, атомы являются электронейтральнымичастицами (схема 1).
Схема 1.
Различные виды атомов называются нуклидами. Нуклиды характеризуются массовым числом А и зарядом ядра Z.
Нуклиды с одинаковым Z, но разными А называются изотопы.
Например, 35 17Cl 37 17Cl
Нуклиды с разными Z, но одинаковыми А называются изобары.
Например, 40 18Ar 4019 K
Каждое цифровое обозначение в периодической системе Д. И. Менделеева отражает какую-либо особенность в строении атомов:
1. Порядковый Заряд Число Число
номер = ядра = протонов в = электронов в
элемента атома ядре атоме
Массовое Число Число
число = протонов + нейтронов
атома (А)
2. Номер периода численно равен числу энергетических уровней в атомах элементов данного периода.
3. Номер группы численно равен числу электронов на внешнем энергетическом уровне (валентные электроны) для элементов главных подгрупп и максимальному числу валентных электронов для побочных подгрупп.
Состояние электронов в атоме. Квантовые числа
Химические свойства элементов определяются строением электронных оболочек их атомов.
В 20-ых годах XX в. ученые установили, что электрон имеет двойственную структуру: он является одновременно частицей и волной. Подобно частице электрон имеет массу 9,1 · 10-28 г и заряд 1,6 · 10-19 Кл. Движущийся электрон обладает свойствами волны: способность к дифракции и интерференции.
Представление о двойственной природе электрона привело к созданию квантово-механической теории строения атома. Электрон в атоме не движется по определенной траектории, а может находиться в любой части околоядерного пространства, вероятность нахождения электрона в разных частях околоядерного пространства неодинакова.
Таким образом, в соответствие с квантово-механическими представлениями невозможно точно определить энергию и положение электрона, поэтому в квантово-механической модели атома используют вероятностный подход для характеристики положения электрона: можно говорить только о вероятности нахождения электрона в разных частях атомного пространства.
Часть атомного пространства, в которой вероятность нахождения данного электрона наибольшая (равна ≈ 90%), называется атомной орбиталью.
Каждый электрон в атоме занимает определенную орбиталь и образует электронное облако, которое является совокупностью различных положений быстро движущегося электрона.
Для характеристики поведения электрона в атоме введены квантовые числа.
Главное квантовое число n определяет энергию и размеры электронных орбиталей. Главное квантовое число принимает значения 1,2,3,4,5, … и характеризует энергетический уровень. Чем выше n, тем выше энергия. Уровни имеют буквенные обозначения: К (n=1), L (n=2), М (n=3), N (n=4), …
Максимальное число электронов на данном энергетическом уровне находят по формуле ∑ е- = 2 n2 . таким образом, на первом энергетическом уровне n =1,
е- = 2, на втором n =2, е- = 8 , на третьем n = 3, е- = 18 и т.д.
Орбитальное квантовое число lопределяет форму электронной орбитали. Орбитальное квантовое число также характеризует энергетические подуровни в электронной оболочке атома. Орбитальные квантовые числа принимают целочисленные значения от 0 до (n-1). Подуровни также обозначаются буквами:
Орбитальное квантовое число, l … 0 1 2 3
Подуровень (подоболочка)…………. s p d f
Электроны с орбитальным квантовым числом 0, называются s -электронами. Орбитали и соответственно электронные облака имеют сферическую форму (окружности).
Электроны с орбитальным квантовым числом 1 называются p -электронами. Орбитали и соответственно электронные облака имеют форму, напоминающую гантель.
Электроны с орбитальным квантовым числом 2 называются d -электронами. Орбитали имеют более сложную форму, чем p-орбитали.
Электроны с орбитальным квантовым числом 3 называются f - электронами. Форма их орбиталей еще сложнее, чем форма d-орбиталей.
Максимальное число электронов на энергетическом подуровне находят по формуле ∑ е- = 2(2l+1). Так максимальное заполнение s2, p6, d10, f14.
Магнитное квантовое число mlхарактеризует ориентацию орбитали в пространстве. Магнитное квантовое число принимает целочисленные значения от – l до + l , включая 0. Число значений ml определяет число орбиталей на подуровне
Следовательно, на подуровне s (l=0) имеется одна орбиталь (ml=0), на подуровне p (l=1) – три орбитали (ml = -1, 0, +1), на подуровне d (l=2) пять орбиталей (ml =-2, -1, 0, +1+2).
Условно атомную орбиталь обозначим в виде клеточки.
Соответственно, для s- подуровня имеется одна АО
Для р-подуровня – три АО
Для d-подуровня - пять АО
Для f- подуровня – семь АО
Спиновое квантовое число ms. Каждый электрон характеризуется собственным механическим моментом движения, который получил название спин. Спиновое квантовое число ms имеет только два значения +1/2 и –1/2 Положительные и отрицательные значения спина связаны с его направлением. Электроны с разными спинами обычно обозначаются противоположно направленными стрелками. Электрон со спином +1/2 условно обозначают ↑, со спином -1/2: ↓.
Таким образом, состояние электрона в атоме полностью характеризуется четырьмя квантовыми числами: n , l , ml , ms
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 261; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!